CN103552688B - 一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计，两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，利用扑翼在上下扑动过程中，柔性翼膜同时产生升力和推力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转而不会产生反扭矩。利用此构型设计的飞行器，两个翼梁反对称安装在一起成为横梁，横梁中部与连接轴一端固接，连接轴另一端与深沟球轴承内圈装配，机身上部与深沟球轴承外圈装配，机身下部与起落架装配。本发明的扑旋翼构型具有很好的升力特性，能够显著增大飞行器有效载荷，并具备良好的飞行稳定性和安全性，扩展了微型飞行器应用范围。

Description

一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计

技术领域

本发明属于微型飞行器设计及制造技术领域，具体地说是涉及扑翼与旋翼相结合的微型飞行器设计方法及制造技术。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期源于军事目的而发展起来的一种新型飞行器。1992年，美国兰德公司提交美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency，国防高级研究计划署）的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了微型飞行器的概念。与常规无人飞行器相比，微型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分广阔的应用前景，因而引起了世界各国的广泛关注。

微型飞行器按飞行特点可分为三类：固定翼、旋翼和扑翼。

微型固定翼飞行器的特点是结构简单、固定翼技术积累比较成熟，目前研究得较好的微型固定翼飞行器有Sanders公司研制的“Micro Star”，AeroVironment公司研制的“Black Widow”以及美国海军研究实验室开发的“MITE”等，但是由于这类飞行器需要具有一定的飞行速度才能产生升力，并且由于尺寸的限制使得这一飞行速度较大，无法悬停和垂直起降，限制了微型固定翼飞行器的应用范围。

微型旋翼飞行器的特点是能够垂直起降和悬停，这一特点大大扩展了此种飞行器在军事和民用领域内的应用，目前比较成功的有Lutronix与Auburn大学合作研制的“Kolibri”、日本东京大学利用MEMS(Micro-Electro-Mechanic System，微机电系统)技术研制的一种翼展仅为4毫米的旋翼飞行装置以及上海交通大学研制的双螺旋桨微型飞行器。然而，由于旋翼系统的结构复杂，尤其在整体尺寸很小时这一缺点更加明显，而且此种情况下旋翼飞行器的气动效率很低，飞行稳定性和抗干扰性能较差，这对微型旋翼飞行器的制造及应用产生了较大影响。

微型扑翼飞行器是采用仿自然界飞行生物产生气动力的原理而形成的一种仿生飞行器，它的特点在于可以利用理想的仿生效果通过尾迹气流捕获等升力机制得到较高升力，节省能量，并且在小尺寸情况下的气动效率比固定翼及旋翼飞行器要高，目前研究得较为成熟的有加州理工学院、AeroVironment公司及加州大学共同研制的“MicroBat”，美国佐治亚理工大学研制的仿昆虫微型飞行器“Entomopter”，AeroVironment公司研制的超级蜂鸟以及中国西北工业大学研制的“信鸽”等。但是由于目前的仿生以及MEMS技术成熟度不能达到理想的仿生效果，因此现有的微型扑翼飞行器尽管可以较好地实现飞行（如AeroVironment公司研制的超级蜂鸟），但有效载荷很低，或者为了达到提升有效载荷的目的不得不采取较大尺寸的构型，比如德国Festo公司研制的“SmartBird”的翼展达到了1.2米，已经远远脱离了微型飞行器的尺寸范围，这些缺点使得微型扑翼飞行器在需要较大有效载荷的实际应用上受到了很大制约，因此，解决微型飞行器尺寸与有效载荷之间要求的矛盾是非常必要的。

目前，在现有技术条件下，能够实现悬停、垂直起降并且具有较大有效载荷是微型飞行器的发展方向。根据国内外研究结果，微型飞行器的技术难点主要有低雷诺数下的升阻比剧烈下降和升力曲线非线性变化（主要针对固定翼），动力和能源密度偏低，有效飞行控制难度大，飞行稳定性差等。而根据三种微型飞行器的特点，不难看出三种形式均存在各自的技术缺点，难以解决对飞行器尺寸和有效载荷要求之间的矛盾。

近些年国内外研究人员提出了扑旋翼飞行器的概念，这是一种结合扑翼和旋翼的技术，利用扑翼的柔性变形，拍动时同时产生升力和推力，反对称推力形成力偶，带动扑翼做自驱旋转，这样就不需要尾桨等装置来平衡扭矩，而通过旋转产生的周向运动速度又能增加升力，从而达到整体增升的目的。但是目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率很低，实验结果表明，目前这样的装置不能产生足够的升力，尚未达到可以正常起飞的能力。

发明内容

为了克服目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率低的缺点，解决对现有微型飞行器的尺寸和有效载荷要求的矛盾，并满足飞行器同时具备悬停、垂直起降和平飞的能力，拥有较好的飞行稳定性和安全性，本发明提出了一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计。

本发明为了解决其技术问题所采取的技术方案是利用了一种扑翼旋翼耦合构型，所述的扑翼旋翼耦合构型为：两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，扑翼前缘骨架扑动平面与横梁旋转平面无干扰。预先将两片扑翼设定合适的初始迎角，扑翼在上下扑动过程中，由于柔性翼膜的作用能够同时产生升力和推力，两片扑翼产生的升力方向相同；横梁是反对称、有一定迎角并具有翼型的结构，扑翼产生的两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转，且不会产生反扭矩，在旋转时横梁类似于直升机的旋翼可以提供升力；扑翼的旋转周向速度可以增大扑翼本身产生的升力，由于横梁的旋转，两片扑翼还可以进行尾迹的有利干扰和相互利用，进一步获得升力提升，从而在整体上起到增升作用；扑翼与旋翼相结合的技术能够很好地提高飞行稳定性和安全性。

利用所述的扑翼旋翼耦合构型设计的微型飞行器可以通过以下技术方案实现。

本发明提供一种微型飞行器，包括扑翼1、驱动机构及电源2、起落架3、机身4、深沟球轴承5、连接轴6和翼梁7。

其中，两片独立的扑翼1分别与两套驱动机构及电源2装配成为整体，称为装配体，并能够进行单独控制实现扑动；将两段翼梁7相对于连接轴的轴线反对称组装在一起成为横梁，再将扑翼1、驱动机构及电源2组成的两个装配体分别安装在横梁的两端，扑翼在横梁外侧；调整好装配体安装的角度，使得扑翼拍动时具有一个合适的初始迎角。

通过两个翼梁中段7d端部的半圆孔7e组装后形成的横梁中间圆孔，将连接轴6一端与横梁固接在一起，连接轴6的另一端与深沟球轴承5内圈装配在一起，深沟球轴承5的外圈与机身4上部装配，机身内部可以按照需要放置有效载荷，连接轴6、翼梁7、扑翼1、驱动机构及电源2组成的整体能够相对于机身4自由转动，在电源接通扑翼扑动时，两片反对称安装的扑翼1产生的力偶能够实现横梁和扑翼的自驱旋转。

机身下部布置起落架3，能够起到支撑整个扑旋翼微型飞行器的作用，并且在存在垂直冲击载荷时进行缓冲以保证微型飞行器的安全。

本发明的有益效果有：

⑴本发明的扑翼旋翼耦合构型提高了扑翼气动效率，翼梁可以起到旋翼作用，产生较大升力，可以增加微型飞行器载荷；

⑵本发明的扑翼旋翼耦合构型理论上是一种自驱旋转，不需要多余的装置平衡扭矩，有利于精简结构，减轻结构重量并减少能量消耗；

⑶本发明的微型飞行器能够实现垂直起降、悬停，通过适当的控制能够实现平飞，扩展了微型飞行器的应用范围；

⑷本发明的微型飞行器结合了扑翼与旋翼的特点，增强飞行稳定性，并能够在一定程度上提升发生故障时的安全性。

附图说明

图1是本发明的微型飞行器的轴测图；

图2是图1的A局部视图；

图3是本发明的微型飞行器的翼梁的轴测图。

图中：

1-扑翼；        2-驱动机构及电源；   3-起落架；      4-机身；

5-深沟球轴承；  6-连接轴；           7-翼梁；        7a-减轻孔；

7b-翼型段；     7c-过渡段；          7d-翼梁中段；   7e-半圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的扑翼旋翼耦合构型作详细说明。

本发明首先提供一种扑翼旋翼耦合构型，如图1所示，扑翼旋翼耦合构型包括两片独立的扑翼1和两个翼梁7，所述两片扑翼1反对称布置在横梁的两端外侧，所述横梁由两个翼梁7组成，横梁是反对称、有一定迎角并具有翼型的结构。扑翼产生的两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转，且不会产生反扭矩，在旋转时横梁类似于直升机的旋翼可以提供升力；扑翼的旋转周向速度可以增大扑翼本身产生的升力，由于横梁的旋转两片扑翼还可以进行尾迹的有利干扰和相互利用，进一步获得升力提升，从而在整体上起到增升作用；扑翼与旋翼相结合的技术能够很好地提高飞行稳定性和安全性。

应用上述的扑翼旋翼耦合构型，本发明还提供一种扑旋翼微型飞行器，如图1，包括扑翼1、驱动机构及电源2、起落架3、机身4、深沟球轴承5、连接轴6和翼梁7。所述扑翼1有两片，分别连接各自的驱动机构及电源2，二者组成装配体后，反对称安装在由两个翼梁7组成的横梁两端外侧。

所述扑翼1后缘呈抛物线形状，且弦长最大处的后缘点为抛物线顶点，该顶点固定连接在装配体上。过后缘点和抛物线起点向抛物线内部做两条相互垂直的线，过抛物线起点的直线为扑翼前缘，过后缘点的直线为弦。选用合适的柔性材料作为扑翼的翼面材料，采用扑翼前缘骨架和后缘点单点固定的方式将翼面前缘粘接在前缘骨架上，两片扑翼的翼面形状以及制作出的扑翼1均应没有明显差别，制作后的扑翼1的前缘骨架应伸出适当长度，以能够与驱动机构及电源2组装在一起实现扑动，扑动过程中，扑翼1扑动与驱动机构及电源2、翼梁7之间无扰动。

所述的驱动机构及电源2由电动机、电源、导线、减速装置以及传动机构装配在一起组成，其中的传动机构与扑翼1的前缘骨架相连，扑翼1后缘通过单点固定于驱动机构及电源2上，当电源接通时，电动机能够通过减速装置、传动机构带动扑翼1前缘骨架上下周期运动，这样就实现了扑翼1的扑动。

如图3，翼梁7包括翼型段7b、过渡段7c和翼梁中段7d，在所述翼型段7b设置减轻孔7a，翼梁中段7d的一端开有半圆孔7e。其中，减轻孔7a在保证结构最小强度和刚度条件下能够减轻结构重量，翼型段7b能够在扑翼1旋转时起到旋翼作用而增大升力。过渡段7c是翼梁中段7d和翼型段7b的过渡结构，翼型段7b的翼型弦线与翼梁中段7d上下表面存在一定的扭转角，即翼梁旋转的迎角；将两个翼梁7的半圆孔7e相对形成圆孔，圆孔与连接轴6配合，起到定位作用；两个翼梁7的翼型段7b的翼型弦线关于连接轴6的轴线反对称，使得两个翼型段7b在绕连接轴6的轴线旋转时能够起到类似直升机旋翼的增升作用。

所述的连接轴6为圆柱形，如图2，其直径与两个半圆孔7e组成的圆孔的内径相同，连接轴6的一端用于所述圆孔固接，另一端与深沟球轴承5内圈装配在一起。

所述深沟球轴承5的外圈装配在机身4上，机身4内部中空，可以用来放置有效载荷，机,4下部安装起落架3（见图1）。

上述各部件的装配过程为：

首先将扑翼1、驱动机构及电源2组成装配体，然后将所述装配体与翼梁7的翼型段7b端部装配在一起，扑翼1在翼型段7b端部外侧，且扑翼1前缘骨架扑动平面平行于翼型段7b前缘，与翼梁7旋转平面无干扰。调整好扑翼1前缘骨架的扑动平面与翼型段7b弦线之间的相对角度，使得扑翼1拍动时具有一个合适的初始迎角，以使得扑翼1扑动时能够产生所需的升推力之比。将两个翼梁7通过翼梁中段7d反对称安装在一起，此时两个半圆孔7e组成一个圆孔并与连接轴6的一端固接，将连接轴6的另一端连接深沟球轴承5，至此设计的微型飞行器已装配完毕，通电试飞，可以根据实际效果调整扑翼前缘骨架的扑动平面与翼型段7b的弦线之间的安装角度。由于本发明所设计的微型飞行器的目的是验证本发明的扑翼旋翼耦合构型的有效性，并未包括能够控制微型飞行器姿态的控制面，因此在飞行过程中可能会因为深沟球轴承5的摩擦使得机身4会随着扑翼1的旋转获得很小的力矩，进而做缓慢的旋转，属于正常现象，如果需要可以通过采用控制措施抵消这一扭矩。

本发明的微型飞行器产生升力的原理相当于在桨尖喷气直升机基础上增加扑翼升力，扑翼旋转是自驱旋转，在理论上不产生反扭。本发明的微型飞行器中两片扑翼产生对称升力和反对称推力，反对称推力形成力偶驱动扑翼旋转。通过调整翼梁长度及翼梁与扑翼的相对安装角度，可以使得扑翼具有一个合适的初始迎角，翼梁能在扑翼自驱旋转时起到良好的增升效果，而同时旋转的周向速度又能对扑翼升力的增加起到适当的促进作用。

本发明的扑翼旋翼耦合构型能够产生较大升力。实验表明，扑翼产生的升力和推力与其安装的初始迎角以及前飞速度密切相关，通过调整初始迎角可以获得适当的升推比，使得两片扑翼产生的推力形成的力偶能够提供合适的周向旋转速度，此时两片扑翼产生的升力的合力、扑翼旋转提供的增升作用的整体效果最优，升力最大；其次，带有一定迎角的翼梁在旋转时相当于直升机旋翼而产生升力，而由于扑翼处在横梁外侧，产生的流场对翼梁几乎没有干扰，因此可以仅通过改变翼梁的安装角度达到最优的升力效果；再者，由于悬停时自驱旋转为周期性运动，这样一片扑翼相当于处在另一片扑翼产生的尾流场中，这类似鸟类迁徙可以相互利用尾涡进一步增大升力。

本发明的扑翼旋翼耦合构型很好地结合了扑翼和旋翼技术，可以增强飞行稳定性，如果在飞行过程中出现故障，反对称安装的扑翼以及翼梁的旋转会显著降低微型飞行器的坠落速度，减轻结构受到损毁的程度，从而在一定程度上提升了微型飞行器发生故障时的安全性。

实施例：

本例中给出一组本发明微型飞行器各参数设计尺寸，结合以上关于本发明的微型飞行器的制作步骤：

第一步，扑翼1的翼面材料为聚氯乙烯薄膜，前缘骨架为直径为0.8mm的碳纤维骨架，单片扑翼展长为37.5mm，弦长为25mm，扑翼后缘呈抛物线形状，且弦长最大处后缘点为抛物线顶点，作为单点固接点；

第二步，选取微型电动机，电源为锂电池；

第三步，翼梁7材料为碳纤维，翼梁中段7d长度为5mm，过渡段7c为5mm，翼型段7b为30mm，翼型弦长为10mm，半圆孔7e直径为4mm，翼型段7b采用的翼型为NACA0012，与翼梁中段7d的扭转角为15°；

第四步，连接轴6长度为30mm，直径为4mm，深沟球轴承5为GB/T5800-2003系列，内径为4mm，外径为11mm；

第五步，机身4上部为空心圆台形，下部为空心圆柱形，圆柱下表面为封闭平面，起落架3为四片相同的具有向四周弯曲形状的支撑片，均匀固接在机身4下表面，机身4与起落架3材料均为碳纤维；

第六步，扑翼1、驱动机构及电源2的装配体与翼型段7b弦线的相对角度为20°，即扑翼1的初始迎角为35°。

本实施例，飞行器飞行过程中最大单方向尺寸为155mm，通过减小扑翼1的大小、调整翼梁2的长度可以实现整体尺寸的进一步缩小。

对于上述装配的扑旋翼微型飞行器，整体载荷不超过30克，在上述装配条件下，启动电源后能够实现正常起飞。

Claims (5)

1.一种基于扑翼旋翼耦合构型的微型飞行器，其特征在于：包括扑翼、驱动机构及电源、起落架、机身、深沟球轴承、连接轴和翼梁；两片独立的扑翼分别与两套驱动机构及电源装配成为整体，称为装配体，并能够进行单独控制实现扑动；将两段翼梁相对于连接轴的轴线反对称组装在一起成为横梁，扑翼、驱动机构及电源组成的两个装配体分别安装在横梁的两端，扑翼在横梁外侧；根据需要调整装配体安装的角度，即扑翼拍动时的初始迎角；所述连接轴一端与横梁固接在一起，另一端与深沟球轴承内圈装配在一起，深沟球轴承的外圈与机身上部装配，机身下部布置起落架；连接轴、翼梁、扑翼、驱动机构及电源组成的整体能够相对于机身自由转动，在电源接通扑翼扑动时，两片反对称安装的扑翼产生的力偶能够实现横梁和扑翼的自驱旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于扑翼旋翼耦合构型的微型飞行器，其特征在于：所述扑翼后缘呈抛物线形状，且弦长最大处的后缘点为抛物线顶点，该顶点固定连接在装配体上；过后缘点和抛物线起点向抛物线内部做两条相互垂直的线，过抛物线起点的直线为扑翼前缘，过后缘点的直线为弦长；扑翼的翼面材料选用聚氯乙烯薄膜，采用扑翼前缘骨架和后缘点单点固定的方式将翼面前缘粘接在前缘骨架上。

3.根据权利要求1所述的一种基于扑翼旋翼耦合构型的微型飞行器，其特征在于：所述的驱动机构及电源由电动机、电源、导线、减速装置以及传动机构装配在一起组成，其中的传动机构与扑翼的前缘骨架相连，扑翼后缘通过单点固定于驱动机构及电源上，当电源接通时，电动机能够通过减速装置、传动机构带动扑翼前缘骨架上下周期运动，这样就实现了扑翼的扑动。

4.根据权利要求1所述的一种基于扑翼旋翼耦合构型的微型飞行器，其特征在于：所述的翼梁，其翼型段采用的翼型为NACA0012，与翼梁中段的扭转角为15°。

5.根据权利要求1所述的一种基于扑翼旋翼耦合构型的微型飞行器，其特征在于：所述的扑翼、驱动机构及电源的装配体与翼型段弦线的相对角度为20°，即扑翼的初始迎角为35°。